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HOPE BEYOND THE HIGGS BOSON
希格斯玻色子之后的希望

萨拉·德默斯(Sarah Demers)

耶鲁大学物理学副教授。

假设一位所信任的朋友告诉我们一个传闻,这个传闻听起来不太真实,而且这位朋友自己也不是很确定。几分钟以后,另一位朋友又小心翼翼地告诉了我们同一个传闻。两位值得信赖的朋友都说了同一个传闻,这会促使我们去搞清楚它是否属实。这就是2015年12月15日所发生的情况。当时,通过超环面仪器和紧凑型缪子螺线管探测器,欧洲核子研究中心公布了高能量运行实验的初步分析报告。两组报告都发现了相同的特殊现象。即使宣布发现新粒子还为时尚早,但当前粒子物理学的现状致使这成为近期的头条新闻。

大型强子对撞机的高能量运行实验重启于2010年。2008年发生的一次事故导致对撞机损坏,2009年,它小心翼翼地运行了一年。2011—2012年的实验数据发现了希格斯玻色子。随着实验数据的不断增多,全世界的粒子物理学家都在议论一个令人难以入眠的问题:除了希格斯玻色子以外,如果我们再也不会发现任何粒子了该怎么办?换句话说,如果我们熟练地将粒子物理学标准模型预测的粒子分类,引入希格斯粒子使某些物质具有质量,但在理解暗物质、暗能量、量子引力等占宇宙96%的物质和能量方面一无所获该怎么办?

如果物理是理解宇宙的基础,那应该还存在一些有待发现的粒子。希格斯粒子的预测、数十年的探索历程,再加上实验和理论的结合,这些都增强了我们对现有方法的信心。不过,未知的部分可能超出我们的想象和当前的技术水平。

这些“希格斯粒子之外再无其他粒子”的言论体现了我们已经达到能量极限的悲观情绪。如果不存在未知部分的确凿证据,我们也许就不会再有建造以更高能量运行的机器的动机。即使我们说服了自己,那能否说服全世界再一次集中资源突破能量极限,继续在极限条件下探索宇宙,理解宇宙的基础呢?

2015年,大型强子对撞机突破了另一个能量瓶颈:从产生希格斯粒子的8兆电子伏特提高至13兆电子伏特。参与紧凑型缪子螺线管探测器和超环面仪器实验的研究人员对数据进行了不间断的分析,并在12月5日的一次年底活动上公布了分析报告。这两项实验的研究人员都十分谨慎地宣布,他们在同一位置发现了同样的全新粒子的轨迹。在高能碰撞中,来源于同一个粒子的两个光子可以生成质量。基于这一原理,这两项实验都观察到了少量的质量增加现象(多于粒子物理学标准模型的预测值),接近1.34×10 -24 千克。谨慎地宣布这一实验结果是有道理的。这两项实验发现的这些轨迹之后可能随着数据的增多而不再出现。如果不是大家对此议论较多,这可能不会成为大新闻。然而对于我而言,这代表着我们当前高能物理学领域的希望。

在接下来的几年时间里,在13兆电子伏特的能量级别,我们将会收集到比现在多10倍的数据。因此,从理论上来说,我们具有发现特殊现象的基础。如果随着数据的增加,在7 500亿电子伏特的能量级别上发现的特殊现象不再出现,我们将会继续寻找能改变我们对世界的认知的新现象。我们将继续努力前行,发现新粒子。 CyicIHcUpoapExf6Z8yCMF9uDm4g46vQeCwU2nwj6dTILHigvaqWGCve83nmWDe9

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